DE1257349B

DE1257349B - Rotary vacuum pump

Info

Publication number: DE1257349B
Application number: DEB65171A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Herman Woessner
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1961-11-28
Filing date: 1961-12-14
Publication date: 1967-12-28

Description

Vakuumdrehschieberpumpe Die Erfindung betrifft eine Vakuumdrehpumpe mit in einem zylindrischen Hohlraum eines Pumpengehäuses exzentrisch angeordnetem Rotor, welcher zwei den Förderraum in zwei Verdrängerzellen unterteilende Arbeitsschieber in radialen Schlitzen gleitbar führt. Derartige als rotierende Verdrängermaschinen arbeitende Drehschieberpumpen weisen bekanntlich eine sogenannte Unwucht auf, weil der gemeinsame Schwerpunkt der Massen der beiden Schieber nicht in der Drehachse liegt. Das Laufen mit Unwucht hat zur Folge, daß solche Pumpen entweder, wenn sie fest mit dem Fundament verbunden verbunden sind, entsprechend große Massenkräfte über die Lager auf das Fundament übertragen oder, wenn sie elastisch gelagert sind, Schwingbewegungen relativ zum Fundament ausführen. In jedem Fall ergeben sich unerwünschte Erschütterungen der Pumpe (und gegebenenfalls auch des Fundamentes), und der fehlende Massenausgleich ist bekanntlich einer der Gründe, weshalb die Drehzahl für diese Pumpen verhältnismäßig niedrig gewählt werden muß, was wiederum ein relativ geringes volumetrisches Saugvermögen zur Folge hat.Rotary vacuum pump The invention relates to a rotary vacuum pump with eccentrically arranged in a cylindrical cavity of a pump housing Rotor, which has two working slides dividing the delivery chamber into two displacement cells guides slidably in radial slots. Such as rotating displacement machines working rotary vane pumps are known to have a so-called imbalance because the common center of gravity of the masses of the two slides is not in the axis of rotation lies. Running out of balance causes such pumps to either if they are firmly connected to the foundation, correspondingly large inertia forces transferred to the foundation via the bearings or, if they are elastically supported, Perform oscillating movements relative to the foundation. In any case, there are undesirable ones Vibrations of the pump (and possibly also of the foundation), and the lack of it Mass balancing is known to be one of the reasons why the speed for this Pumps must be chosen to be relatively low, which in turn is relatively low volumetric pumping speed.

Neuere Beobachtungen weisen außerdem darauf hin, daß die nicht ausgewuchtete Schieberbewegung eine der Ursachen für die starke Geräuschbildung bei Drehschieberpumpen ist.Recent observations also indicate that the unbalanced Slide movement is one of the reasons for the loud noise generated by rotary vane pumps is.

Während die Unwucht bei einer anderen Type von Vakuumrotationspumpen, nämlich bei den Drehkolbenpumpen, mit derselben Frequenz wieder Rotor rotiert und daher durch an der Achse angebrachte Gegengewichte auf einfache Weise ausgeglichen werden kann, sind die Massenkräfte bei Drehschieberpumpen von verwickelterer Art. Infolge der Relativbewegung der Schieber zum Rotor ändert sich nämlich ihr Achsenabstand und damit auch die Geschwindigkeit ihrer Bewegung periodisch. Die Massenkräfte der einander gegenüberliegenden Schieber heben sich deshalb nicht gegenseitig auf, sondern es bleibt eine resultierende Kraft (Unwucht) übrig, die durch äußere Kräfte, z. B. eben durch das Fundament, ausgeglichen werden muß.While the imbalance in another type of vacuum rotary pump, namely in rotary lobe pumps, the rotor rotates again at the same frequency and therefore easily balanced by counterweights attached to the axle the inertia forces in rotary vane pumps are of a more complex nature. As a result of the movement of the slide relative to the rotor, their axial spacing changes and thus also the speed of their movement periodically. The mass forces of Opposing slides therefore do not cancel each other out, but a resultant force (imbalance) remains, which is caused by external forces, e.g. B. must be compensated by the foundation.

Diese resultierende Massenkraft (Unwucht) zweier Schieber kann man durch folgende Überlegungen bestimmen: ein System von Massen übt nach außen keine Kraft aus, wenn ihr gemeinsamer Massenmittelpunkt (Schwerpunkt) in Ruhe ist. Wie man nachweisen kann, bewegt sich dagegen der gemeinsame Schwerpunkt der beiden Schieber einer Drehschieberpumpe auf einer Kreisbahn, deren Durchmesser gleich ist der halben Differenz zwischen dem Durchmesser des zylindrischen Innenraums des Pumpengehäuses einerseits und dem Durchmesser des die Schieber tragenden Rotors andererseits. Die Bewegung des gemeinsamen Schwerpunktes auf dieser Kreisbahn erfolgt jedoch mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit der Bewegung des Rotors und kann also nicht wie bei Drehkolbenpumpen durch Massen ausgeglichen werden, die mit der Rotorwelle fest verbunden sind. Aus den dargelegten Gründen schien es bisher nur möglich, einen teilweisen Massenausgleich zu erreichen. So wurde z. B. vorgeschlagen, bei einer Drehschieberpumpe mit sternförmig angeordneten, zum Zweck teilweisen Massenausgleichs rahmenartig ausgebildeten und mit Gegengewichten versehenen Schiebern eine ungerade Anzahl von nicht durchgehenden Schiebern vorzusehen, deren einzelne Rahmen durch Verbindung der Schieberplatten mit ihrem Gegengewicht durch je zwei hochkant zur Sch.ieberfläche gestellte Streben gebildet werden, die symmetrisch zur Längsmittelachse des Rahmens angeordnet sind. Nach einem anderen bekanntgewordenen Vorschlag sollen die sich diametral gegenüberliegenden Schieber mit Gegengewichten versehen werden, welche auf der anderen Seite der Drehachse in Aussparungen der gegenüberliegenden Schieber hineinragen. Mit dieser letzteren Maßnahme wollte man in .erster Linie eine Verringerung,des Anpreßdruckes der Schieber an die Innenwandung .der Pumpe erzielen. Mit bloßen Gegengewichten zu den einzelnen Schiebern kann man jedoch so lange keine vollkommene Auswuchtung erzielen, als nicht durch einen besonderen Mechanismus dafür Sorge getragen wird, daß trotz der fortwährenden Hin- und Herbewegung der Schieber in den Führungsschlitzen des rotierenden Kolbens der Schwerpunkt ,des aus Schiebern und Gegengewichten gebildeten Systems ständig in der Rotorachse liegt. Eine Lösung dieser Aufgabe ist bisher nicht bekanntgeworden und wäre mechanisch offenbar recht schwierig, denn es müßte, wenn sich ein Schieber von der Achse entfernt oder dieser nähert, gleichzeitig auch das zugehörige Gegengewicht sieh entfernen oder nähern. Bei einer starren Verbindung zwischen beiden findet aber gerade das Gegenteil statt.This resulting inertia force (imbalance) of two slides can be seen determine by the following considerations: a system of masses does not exercise any externally Power out when their common center of mass (center of gravity) is at rest. As it can be proven, however, that the common center of gravity of the two slides is moving a rotary vane pump on a circular path, the diameter of which is half that Difference between the diameter of the cylindrical interior of the pump housing on the one hand and the diameter of the rotor carrying the slide on the other hand. the However, movement of the common center of gravity on this circular path takes place with the double the angular velocity of the movement of the rotor and so can not like in rotary lobe pumps are balanced by masses that are fixed to the rotor shaft are connected. For the reasons outlined above, it seemed so far only possible to use one to achieve partial mass balancing. So was z. B. proposed at a Rotary vane pump with a star-shaped arrangement, for the purpose of partial mass balancing frame-like and provided with counterweights sliders an odd one Provide number of non-continuous sliders, their individual frame through Connection of the slide plates with their counterweight by two on edge each Sch.ieberfläche provided struts are formed, which are symmetrical to the longitudinal center axis of the frame are arranged. According to another suggested proposal the diametrically opposite slides are provided with counterweights, which on the other side of the axis of rotation in recesses of the opposite Slide in. With this latter measure one wanted first and foremost a reduction in the pressure of the slide on the inner wall of the pump achieve. With mere counterweights to the individual slides you can man but do not achieve perfect balance as long as not by a special one Mechanism ensures that despite the continuous back and forth movement the slide in the guide slots of the rotating piston is the center of gravity, des The system formed from slides and counterweights is always located in the rotor axis. A solution to this problem has not yet become known and would be mechanical apparently quite difficult, because it would have to be when a slide moves away from the axis or approaches it, at the same time also remove the associated counterweight or approach. With a rigid connection between the two, this is exactly what happens Opposite instead.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe des vollkommenen Unwuchtausgleichs auf einfachste Weise gelöst werden. Dazu wird bei einer Vakuumdrehschieberpumpe der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Rotor wenigstens eine weitere, gegenüber den genannten Führungsschlitzen um 90° versetzte Ausnehmung bzw. Bohrung aufweist, in welcher ein Paar von die zylindrische Hohlraumwand des. Pumpengehäuses gleitend berührenden Bolzen radial beweglich angeordnet ist, deren Gesamtmasse gleich der Masse der Arbeitsschieber ist.The aim of the invention is to achieve complete unbalance compensation can be solved in the simplest possible way. This is done with a vacuum rotary vane pump proposed according to the invention of the type mentioned above that the rotor at least another recess offset by 90 ° with respect to the guide slots mentioned or has bore in which a pair of the cylindrical cavity wall of the. Pump housing slidingly contacting bolt is arranged to be radially movable, the The total mass is equal to the mass of the working slide.

Bei Vakuumpumpen besteht das Problem der Verschleppung von Gasen von der Kompressionsseite auf .die Vakuumseite. Ein Schieber einer Drehschieberpumpe, der gerade die Ausstoßöffnung an der Innenwand .der Pumpe passiert hat, trennt (wegen des unvermeidlichen sogenannten Totraumes) ein bestimmtes, auf Ausstoßdruck komprimiertes Luftvolumen ab, komprimiert es im Verlauf der Weiterdrehung noch mehr, und die Folge ist, daß ein Teil dieser Luft durch den Dichtungsspalt zwischen Rotor und Gehäusewand hindurch auf die Ansaugseite gedrückt wird. Das gilt analog auch für den Fall, daß der Totraum bei ölüberdeckten Pumpen vollständig mit Öl ausgefüllt wird, da dieses Öl mit Luft von Atmosphärendruck gesättigt .ist und :diese Luft beim übertritt auf,die Vakuumseite wieder in den Vakuumraum abgegeben wird. Bei Zweischieberpumpen ist dieser störende Effekt geringer als bei Vierschieber-Pumpen-Die erfindungsgemäße Lösung verbindet nun, wie ersichtlich den Vorteil geringerer Gasverschleppung bei einer Zweischieberpumpe mit dem Vorteil des idealen Unwuchtausgleiches bei Vierschieberpumpen.In the case of vacuum pumps, there is the problem of the entrainment of gases from the compression side on the vacuum side. A vane of a rotary vane pump, which has just passed the discharge opening on the inner wall of the pump, separates (because of the inevitable so-called dead space) a certain, compressed to the discharge pressure Air volume decreases, it compresses it even more in the course of the further rotation, and the result is that some of this air passes through the sealing gap between the rotor and the housing wall is pressed through to the suction side. This also applies analogously to the case that the dead space in oil-covered pumps is completely filled with oil, as this Oil is saturated with air at atmospheric pressure and: this air when it passes over that Vacuum side is released back into the vacuum space. With two-vane pumps this disruptive effect is less than with four-slide pump die according to the invention As can be seen, the solution now combines the advantage of lower gas entrainment a two-vane pump with the advantage of ideal unbalance compensation for four-vane pumps.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber einer Vierschieberpumpe liegt in der geringeren Reibung von Bolzen im Vergleich zu Schiebern. Weiter ist nicht zu übersehen, daß die erfindungsgemäße Lösung konstruktiv einfacher ist und sich ein stabilerer Aufbau ergibt, wenn der Rotor ,nur zweidurchgehende Durchbrechungen entlang einer ganzen Mantellinie anstatt deren vier aufzuweisen braucht.Another advantage of the inventive solution over a Four-vane pump lies in the lower friction of bolts compared to slides. Furthermore, it cannot be overlooked that the solution according to the invention is structurally simpler and a more stable structure results if the rotor only has two through-holes To have openings along a whole surface line instead of four needs.

An sich ist schon eine Flüssigkeitspumpe bekannt, bei welcher der in einem zylindrischen Statorhohlraum :exzentrisch angeordnete Rotor fünf radial bewegliche Arbeitsschieber, mit welchen in Umfangsrichtung gefördert wird, und zwischen den Arbeitsschiebern in entsprechenden radialen Bohrungen fünf zylindrische Pumpenkolben aufweist. Bezüglich dieser Kolben wirkt die Pumpe als Radialkolbenpumpe, wobei den als Zylinder dienenden radialen Bohrungen des Rotors die Förderflüssigkeit von der Rotormitte her über entsprechende Kanäle zu- und abgeleitet wird. Es ist hier also eine rotierende Verdrängerpumpe mit einer Kolbenpumpe vereinigt. Zum Zweck eines Massen- oder Unwuchtausgleiches hat der Erfinder dieser bekannten Pumpe die Kolben nicht angeordnet.In itself, a liquid pump is already known in which the in a cylindrical stator cavity: eccentrically arranged rotor five radially movable working slide, with which is promoted in the circumferential direction, and between the working slides in corresponding radial bores five cylindrical pump pistons having. With regard to these pistons, the pump acts as a radial piston pump, with the serving as cylinder radial bores of the rotor, the fluid from the The center of the rotor is supplied and discharged via corresponding channels. So it is here a rotating positive displacement pump combined with a piston pump. For the purpose of one The inventor of this known pump has the piston to compensate for mass or imbalance not arranged.

Ein Beispiel für eine Vakuumpumpe nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher beschrieben, und zugleich wird deren Wirkungsweise erläutert.An example of a vacuum pump according to the invention is given by hand the drawing described in more detail, and at the same time their mode of operation is explained.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Rotationsachse; F i. g. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 1.F i g. 1 shows a section perpendicular to the axis of rotation; F i. G. 2 shows a section along the line A-A of FIG.

In den Figuren bedeutet 1 das Pumpengehäuse mit der zylindrischen Innenwand bzw. Hohlraumwand 2. Die Stirnseiten sind durch die Gehäusedeckel 3 und 4 abgeschlossen. In den Gehäusedeckeln 3 und 4 ist der Rotor 5 mittels der Kugellager 6 und 7 in bekannter Weise exzentrisch gelagert. Mit 8 ist die mit dem Rotor 5 starr verbundene Antriebswelle bezeichnet. Das Pumpengehäuse weist Öffnungen 9 und und 10 zur Zu- und Ableitung des zu pumpenden Gases auf. Über der Ausstoßöffnung 10 befindet sich das durch ein Ölbad 11 überdeckte Ausstoßventil 12, welches sich beim Betrieb unter dem Druck der in der Kompressionskammer der Pumpe komprimierten Gase periodisch öffnet und schließt. Der Rotor 5 weist radiale Schlitze 13 und 14 auf, in denen die Arbeitsschieber 15 und 16 gleiten, so daß sie infolge der Zentrifugalkraft ständig die Innenwand 2 berühren und so den Pumpeninnenraum in zwei rotierende Verdrängerzellen oder Kammern unterteilen.In the figures, 1 denotes the pump housing with the cylindrical inner wall or cavity wall 2. The end faces are closed by the housing covers 3 and 4. In the housing covers 3 and 4, the rotor 5 is mounted eccentrically in a known manner by means of the ball bearings 6 and 7. 8 with the drive shaft rigidly connected to the rotor 5 is designated. The pump housing has openings 9 and 10 for the supply and discharge of the gas to be pumped. Above the discharge opening 10 there is the discharge valve 12 which is covered by an oil bath 11 and which opens and closes periodically during operation under the pressure of the gases compressed in the compression chamber of the pump. The rotor 5 has radial slots 13 and 14 in which the working slides 15 and 16 slide so that they constantly touch the inner wall 2 due to the centrifugal force and thus divide the interior of the pump into two rotating displacement cells or chambers.

Das Fördergas tritt durch die Öffnung 9 in die erste Kammer 17 ein, die gerade als Ansaugkammer wirkt, und wird bei der weiteren Rotation, wenn die erwähnte Kammer oder Verdrängerzelle die Stellung der Kammer 18 in F i g. 1 erreicht hat, komprimiert und dann, wenn die Verdrängerzelle mit der Öffnung bzw. dem Kanal 10 in Verbindung kommt, durch diesen und das Ausstoßventil 12 ausgestoßen, wie dies allgemein ;bekannt ist.The conveying gas enters the first chamber 17 through the opening 9, which just acts as a suction chamber, and during the further rotation, when the mentioned chamber or displacement cell, the position of the chamber 18 in FIG. 1 has reached, compressed and then, when the positive displacement cell comes into communication with the opening or the channel 10 , expelled through this and the discharge valve 12 , as is generally known.

In den radialen Bohrungen 23 und 23' des Rotors 5 gleiten die Bolzenpaare 19/20 bzw. 21/22, wobei sie wie die Arbeitsschieber 15 und 16 die Innenwand 2 des Pumpengehäuses berühren. Diese Bolzenpaare bzw. deren Führungsbohrungen sind, wie :die Zeichnung zeigt, gegenüber den Arbeitsschiebern um 90° versetzt und erzeugen bei ihrer durch den Rotor erzwungenen Drehung eine der durch die Rotation der Arbeitsschieber erzeugten Massenkraft in jedem Augenblick entgegengesetzte Massenkraft, so daß die Unwucht genau ausgeglichen wird. Zur Erreichung dieses. Ziels genügte auch ein einziges um 90° gegenüber den Schiebern versetztes, in der Mitte des Rotors -angebrachtes Bolzenpaar entsprechender Masse. Bei Verwendung nur eines Bolzenpaares. muß die Masse jedes einzelnen Bolzens gleich sein der Masse eines Schiebers, während bei der Anordnung von zwei Bolzenpaaren die Masse jedes Bolzens nur halb so groß zu sein braucht, die Bolzen also handlicher werden. Jedenfalls muß die Gesamtmasse aller Bolzen zusammengenommen gleich der Masse der Schieber sein.The pairs of bolts 19/20 and 21/22 slide in the radial bores 23 and 23 'of the rotor 5 , and like the working slides 15 and 16, they touch the inner wall 2 of the pump housing. These pairs of bolts or their guide bores are, as shown in the drawing, offset by 90 ° with respect to the working slides and, when they are rotated by the rotor, generate a mass force that is opposite to the inertial force generated by the rotation of the working slides at any moment, so that the imbalance is exactly is balanced. To achieve this. A single pair of bolts with a corresponding mass, offset by 90 ° in relation to the vanes and attached in the middle of the rotor, was sufficient. When using only one pair of bolts. the mass of each individual bolt must be equal to the mass of a slide, while with the arrangement of two pairs of bolts the mass of each bolt only needs to be half as large, so the bolts are easier to handle. In any case, the total mass of all bolts together must be equal to the mass of the slide.

In jederBohrung für ein Bolzenpaar kann noch eine Feder 24, 25 .angeordnet sein, welche das Gleiten der Bolzen an der Innenwand des Pumpengehäuses auch beim Anfahren sicherstellt. Es ist notwendig, daß die Bolzen ständig an der Innenwand gleiten und dadurch in periodisch wechselndem Abstand von der Rotorachse geführt werden, damit sich eine Gegenunwucht richtiger Größe zur Unwucht der Schieber in jedem Augenblick ergibt.A spring 24, 25 can also be arranged in each bore for a pair of bolts be which the sliding of the bolts on the inner wall of the pump housing even ensures when starting up. It is necessary that the bolts are constantly on the inner wall slide and thereby guided at a periodically changing distance from the rotor axis so that there is a counterbalance of the correct size to the imbalance of the slide in every moment.

Wie die praktische Erfahrung gezeigt hat, besitzen Pumpen nach :der vorbeschriebenen Konstruktion eine außerordentliche Laufruhe, wie sie bisher bei Vakuumdrehschieberpumpen mit zwei Schiebern völlig ausgeschlossen war. Diese Laufruhe wirkt sich nicht nur in einer Verminderung des störenden Betriebsgeräusches und in einer Erhöhung der Lebensdauer der Pumpe aus, sondern ermöglicht ohne weiteres den Einsatz der Pumpe auch in Fällen, in denen mit Rücksicht auf andere Geräte ein völlig erschütterungsfreier Betrieb gefordert wird, welcher mit Pumpen gewöhnlicher Bauart nur durch kostspielige Maßnahmen (z. B. isolierte Aufstellung, flexible Verbindungen mit den zu evakuierenden Rezipienten) erreicht werden konnte.As practical experience has shown, pumps after: the The above-described construction runs extremely smoothly, as has been the case so far Vacuum rotary vane pumps with two vanes was completely excluded. This smoothness does not only reduce the annoying operating noise and in an increase in the service life of the pump, but allows easily the use of the pump also in cases where one with consideration for other devices Completely vibration-free operation is required, which is more common with pumps Construction only through costly measures (e.g. isolated installation, flexible connections with the recipients to be evacuated) could be achieved.

Claims

Claim: Vacuum rotary vane pump with in a cylindrical Cavity of a pump housing eccentrically arranged rotor, which two the pumping chamber Working slide, which divides into two displacement cells, can be slid in radial slots leads, characterized in that the rotor at least one more, opposite the said guide slots (13, 14) offset by 90 ° recess or bore (23, 23 ') in which a pair of the cylindrical cavity wall of the pump housing (1) slidingly contacting bolt (19, 20, 21 22) is arranged to be radially movable, whose total mass is equal to the mass of the working slide (15, 16). Into consideration Drawn pamphlets: German Patent Nos. 561693, 620 729, 688 689, 716 593; French patent specification No. 836 423.